FR2670155A1 - Procede de fabrication d'objets tubulaires en materiaux composites. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'objets tubulaires sensiblement rectilignes en matériaux composites, notamment pour bâtons de ski (1). Le procédé comprend notamment les étapes successives suivantes: - On dispose une vessie (9) tubulaire élastique et fine autour d'un mandrin rigide (10). - On réalise ensuite l'habillage du mandrin avec la structure composite (12) constituée de fibres imprégnées. - On dispose le mandrin (10) dans un moule (13). - On effectue ensuite l'opération de moulage en appliquant au moins une pression interne exercée par l'introduction d'un fluide à l'intérieur de la vessie (9) de façon à compacter la structure composite contre l'empreinte (14) du moule (13). L'invention concerne également le dispositif ainsi que les objets réalisés par le procédé.

Description

L'invention concerne un procédé de fabrication d'objets tubulaires sensiblement rectilignes en matériaux composites, notamment pour les bâtons de ski, et un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé, ainsi que les objets ainsi fabriqués, notamment les bâtons de ski.

Un premier procédé de fabrication d'objets en matériaux composites et notamment de raquettes de tennis consiste, d'après le brevet US 3, 755, 037 à enrouler autour d'un noyau flexible maintenu en tension axiale et revêtu d'une enveloppe flexible, plusieurs couches de bandes de fibres, puis à imprégner les fibres de résine réticulable par trempage, puis à placer le complexe dans un moule ayant la forme de la raquette à obtenir puis à retirer le noyau ; enfin à appliquer une pression interne de moulage par introduction d'un fluide à l'intérieur de l'enveloppe et à réticuler l'ensemble. Ce procédé présente de nombreux inconvénients. D'une part, le noyau est retiré préalablement à la mise sous pression, ce qui nuit à la tenue régulière et précise du complexe enroulé autour de l'enveloppe souple et à sa disposition dans le moule.D'autre part, le noyau doit être flexible pour pouvoir être maintenu sous tension axiale lors de l'enroulement, ce qui complique considérablement le dispositif de mise en oeuvre.

La demande de brevet FR 2 358 170, concerne également un procédé de fabrication de raquette de tennis utilisant un noyau tubulaire souple. L'enroulement de pré-imprégnés est effectué autour d'un tube souple en caoutchouc qui est introduit dans un moule de compression. On chauffe, puis on gonfle le tube souple avec de l'air comprimé à une pression de 30 bars environ et on le maintient sous pression jusqu'au durcissement de l'enroulement. Pour éviter un affaissement de la structure lors de l'enroulement, le noyau caoutchouc doit avoir une certaine rigidité et épaisseur. Malgré tout, cette structure n'autorise pas une application efficace et précise des pré-imprégnés autour du noyau qui n'est pas rigide. La disposition et le maintien du complexe noyauienroulement dans le moule n'en n'est pas davantage facilité.De plus, l'utilisation d'un tube en caoutchouc dur et épais oblige l'application de pressions de moulage très importantes, de l'ordre de plusieurs dizaines de bars, posant ainsi d'avantages de problèmes dans la mise en oeuvre.

Un autre procédé de fabrication d'objets tubulaires tels que cannes à pêche, clubs de golf, etc..., en résine renforcée de fibres de carbone ou autres, est décrit dans les brevets GB 1, 446, 444 et
US 4555113.

Le procédé consiste à enrouler autour d'un mandrin des feuilles ou nappes de fibres pré-imprégnées de résine époxyde par exemple, puis à compacter l'empilage par enrubannage d'un film thermorétractable en polyester. Le mandrin ainsi revêtu est ensuite disposé dans une étuve de façon à cuire le revêtement composite d'une part, et à provoquer le compactage du revêtement autour du mandrin par la pression exercée par la rétraction du film d'autre part. Enfin, après durcissement de la résine, le mandrin est retiré, puis le ruban est décollé. Les traces ou irrégularités de surface laissées par le pas du ruban, appelées communément les "steps", sont abrasées par émerisage lors d'une étape de finition du produit.

Une variante de ce procédé consiste à habiller le mandrin par enroulement filamentaire d'un fil préalablement imprégné de résine.

Ce procédé, très répandu chez les constructeurs ne donne néanmoins pas entière satisfaction car l'étape de finition du produit conduit à un enlèvement de matière très préjudiciable à une bonne reproductibilité des caractéristiques mécaniques d'un produit à l'autre. D'autre part, ce procédé limite considérablement les possibilités de réaliser des objets tubulaires de formes complexes, telles que des zones de renflement ou de rétrécissement, par exemple.

Le but de la présente invention est de proposer un procédé de fabrication économique et facile à mettre en oeuvre, permettant la réalisation d'objets tubulaires sensiblement rectilignes, en couches continues de nappes de fibres et remédiant aux inconvénients précités des procédés connus.

Un autre but de l'invention est de permettre, par l'opération de moulage, de sortir un objet tubulaire dans un état de finition correct ne nécessitant pas d'opérations ultérieures particulières.

Un autre but de l'invention est de fabriquer des objets tubulaires présentant des zones de renflement etlou de rétrécissement de couches de nappes de fibres continues.

Pour cela, l'invention a pour objet un procédé de fabrication d'un objet tubulaire rectiligne ou sensiblement rectiligne en matériaux composites et se caractérise par le fait qu'il comprend les étapes successives suivantes:
- on dispose une vessie tubulaire, élastique, étanche et de fine épaisseur autour d'un mandrin rigide de longueur au moins égale à la longueur de l'objet tubulaire à obtenir;
- ensuite, on réalise l'habillage du mandrin avec une structure composite comprenant des fibres imprégnées d'une matrice de résine organique;
- on dispose le mandrin ainsi revêtu dans un moule dont l'empreinte définit la forme finale de l'objet à réaliser;;
- on effectue ensuite l'opération de moulage en appliquant au moins une pression interne exercée par l'introduction d'un fluide à l'intérieur de la vessie entre celle-ci et le mandrin, de façon à compacter la structure composite contre l'empreinte du moule.

Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, la vessie tubulaire est réalisée en matériau élastomère pouvant être mis en oeuvre par trempage.

L'invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé.

Enfin, l'invention concerne les objets fabriqués par le procédé.

D'autres objets, caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description des modes de réalisation de l'invention, donnés ci- dessous à titre non limitatif en référence aux dessins annexés.

- la figure 1 représente un bâton de ski comprenant un corps tubulaire fabriqué selon le procédé de l'invention.

- les figures 2 à 7 représentent différentes étapes du procédé de fabrication d'un objet tubulaire tel que le corps du bâton de ski de la figure 1 selon l'invention.

- la figure 8 représente une vue détaillée partielle du dispositif de moulage pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention.

- la figure 9 représente une vue détaillée en coupe du même dispositif que celui de la figure 8.

- la figure 10 représente une vue partielle en coupe de la figure 9 suivant B-B de ce dispositif.

- la figure 11 représente un exemple du corps tubulaire pouvant être réalisé dans la construction d'un bâton de ski.

Comme le montre la figure 1, un bâton de ski comprend généralement une poignée 2 sur laquelle est solidarisée une dragone 4, ladite poignée 2 recouvrant, sur une partie au moins, l'extrémité supérieure d'un corps tubulaire 3. Le bâton 1 comprend également une rondelle 5, généralement solidaire du corps tubulaire 3 et localisée à quelques centimètres au dessus de l'extrémité inférieure du corps, celle-ci se terminant par une pointe ou embout rapporté dur 6 en métal ou céramique.

Le corps tubulaire 3 n'est généralement pas un simple tube à section constante, mais plus généralement un objet tubulaire conique dont la plus grande section se situe au niveau de la poignée 2.

Le corps tubulaire 3 du bâton de ski selon l'invention est réalisé en matériaux composites, et notamment en fibres noyées dans une résine organique polymérisée. Les contraintes longitudinales de flexion sont essentiellement reprises par les fibres disposées longitudinalement suivant l'axe (I, I') du corps 3, alors que les contraintes de torsion sont reprises par les fibres enroulées de façon sensiblement circonférentielle. Suivant les caractéristiques souhaitées du corps, on choisira le taux de fibres longitudinales, enroulées ou présentant un certain angle avec l'axe longitudinal (I, i').

Le mode de réalisation préféré du procédé selon l'invention est illustré par les figures 2 à 7. Il comprend une première étape de fabrication d'une vessie tubulaire élastique 9 de fine épaisseur et de longueur de préférence au moins égale à la longueur du corps tubulaire désiré.

Les vessies sont de préférence fabriquées en élastomère pouvant être mis en oeuvre par trempage.

Cette technique est connue de l'homme de l'art dans le domaine notamment des gants, vessies et pièces caoutchouc de faible épaisseur, de forme complexe, et dont les caractéristiques essentiellement demandées sont: une grande aptitude à l'allongement, et une étanchéité parfaite aux gaz et liquides.

Parmi les élastomères utilisables dans le cadre de l'invention, on peut citer les latex, néoprènes, ou élastomères siliconés. L'utilisation d'une vessie en latex est préférée par la demanderesse.

Comme le montre la figure 2, on se sert pour cela d'une pièce ou gabarit 7 qui est plongé dans un bain coagulant de nitrate de calcium par exemple, puis dans un bain 8 de latex. Après coagulation, la vessie 9 subit une étape de cuisson d'environ 10 minutes entre 70 et 800c. Cette technique permet d'obtenir des vessies d'apaisseur faible de l'ordre de 0,2 à 0,3 mm. Après refroidissement, la vessie est disposée sur le mandrin de moulage 10 dont la longueur est au moins égale à celle du manche à obtenir.

L'étape suivante, illustrée par la figure 4, consiste en l'habillage du mandrin 10 en nappes de fibres imprégnées de résine organique.

Les matériaux utilisés dans le cadre de l'invention sont des fibres de carbone etlou de verre etlou d'aramide pré-imprégnées de résine organique polymérisable de type époxyde.

L'habillage du mandrin 10 est réalisé par enroulage d'un développé 11 de nappe(s) de fibres orientées selon les caractéristiques désirées. On obtient ainsi une structure composite 12 en forme de tronc de cône de plusieurs couches de nappes de fibres.

Bien entendu, l'habillage du mandrin peut également être obtenu par enroulement filamentaire d'un (ou plusieurs) fil(s) préalablement imprégné(s) de résine.

Le mandrin 10 est illustré par la figure 5 ainsi revêtu de la structure composite 12 constituée par l'empilage de 8 à 12 couches de fibres pré-imprégnées.

Comme le montrent les figures 6 et 7, le mandrin 10 est ensuite disposé dans un moule 13 dont l'empreinte 14 va déterminer la forme finale du corps. La figure 6 montre un exemple non limitatif de l'invention dans lequel l'empreinte 14 présente deux zones 14a, 14b limitées par le plan P, et dont les formes coniques s'inversent de part et d'autre de ce plan. D'une manière générale, l'empreinte 14 peut présenter des zones de renflement ou de rétrécissement de façon à obtenir, lors du moulage, la contreforme de la zone réalisée sur le corps aux endroits désirés. Le procédé de l'invention permet l'utilisation d'un mandrin conique simple pour le moulage de corps de formes différentes.Cette possibilité présente un grand intérêt, d'une part technique, car la fabrication de mandrins de formes complexes en acier est difficile à réaliser et d'autre part économique, car une forme de mandrin suffit à s'adapter à de nombreuses formes différentes de moules.

On peut prévoir avantageusement la réalisation d'une cavité ou d'un épaulement de centrage 13a, à l'extrémité du moule 13 opposée à celle traversée par la partie de mandrin 10 dont l'extrémité n'est pas totalement recouverte par la vessie 9.

L'opération de moulage est réalisée en chauffant le moule et en appliquant une pression interne exercée par l'introduction d'un gaz à l'intérieur de la vessie élastique 9 et autour du mandrin 10 de façon à compacter la structure composite 12 contre l'empreinte 14 du moule 13. Le cycle de moulage varie selon la nature et la réactivité des matériaux pré-imprégnés utilisés.

A titre d'exemple, pour des pré-imprégnés époxydes, le moule est chauffé jusqu'à 1500c puis refroidi jusqu'à température ambiante. Le temps de chauffage et de refroidissement est, respectivement, de 15 et 10 minutes. La mise sous pression s'effectue entre 40 et 500c pendant la phase de chauffage et est maintenue stabilisée jusqu'à la fin du cycle de moulage.

On utilise pour cela une pression d'air comprimé comprise entre 3 et 4 bars environ.

La figure 7 montre la disposition des différents constituants à la périphérie du mandrin 10 après l'injection d'air comprimé à l'intérieur de la vessie 9. Après ouverture du moule 13, le mandrin 10 peut être facilement retiré sans outillage particulier du seul fait de l'espace réalisé par le compactage et dégagé entre le mandrin et la vessie entourée de la structure composite 12.

Les figures 8 à 10 représentent un mode de réalisation particulier de l'alimentation en fluide comprimé et du système d'étanchéité du moule. Le mandrin 10 est constitué de deux éléments 101 et 102 partiellement emboîtés l'un dans l'autre dont l'un est l'élément secondaire d'alimentation 102 et se rapporte sur l'autre, l'élément principal conique 101 qui supporte la structure composite 13. L'élément secondaire 102 réalise l'étanchéité de la vessie 9 par coincement de celle-ci contre la surface de révolution 13b de forme complémentaire de l'entrée du moule 13.A cette fin, les bords de la vessie 9 s'étendent au delà de l'élément principal conique 101 du mandrin 10 et la vessie vient recouvrir la partie tubulaire 102a avant s'engageant dans le moule 10, et en forme de tronc de cône, de l'élément secondaire 102 ; les bords 102d de la petite base s'appliquant contre la grande base de l'élément principal conique 101. Le coincement de la vessie est réalisé entre la surface de la partie conique 102a de l'élément secondaire 102 et les parois 13b du moule 13.

L'élément secondaire rapporté 102 est traversé d'un alésage axial 102b se reliant à l'alimentation externe de gaz. L'alimentation de fluide comprimé à l'intérieur de la vessie 9 s'effectue par un ou plusieurs orifices d'alimentation 1 02c, réalisés préférentiellement sur les bords 1 02d de la petite base de la partie conique 102a de l'élément secondaire 102 comme le montre la figure 8.

L'élément principal 101 se prolonge avantageusement par un téton axial de positionnement 101a s'étendant dans l'alésage de l'élément secondaire 102. Ce téton de positionnement 101a comprend de préférence, un ou plusieurs méplats 101b permettant le passage du fluide à travers l'alésage de l'élément secondaire rapporté 102. Enfin, la solidarisation de l'élément principal 101 dans l'élément secondaire 102 peut être réalisé en utilisant une goupille 103 ou par tout autre moyen.

La figure 11 illustre un exemple de corps tubulaire pour bâton de ski réalisé selon le procédé de l'invention et de faible conicité. Le procédé de l'invention permet de réaliser des zones de rétrécissement 31 sur le corps 3 (et'ou des zones de renflement non représentées sur l'exemple de la figure 11) en respectant la continuité des couches de nappes de fibres dans cette (ces) zone(s) de transition, conférant ainsi une homogénéité des propriétés mécaniques le long du manche et également une excellente reproductibilité des caractéristiques d'un bâton à l'autre. Cette zone 31 est, dans l'exemple, située à l'extrémité supérieure du corps tubulaire, permettant une intégration de la poignée (non représentée) à fleur avec le reste du corps 3. Le procédé permet d'obtenir également un état de finition correct du corps 3 ne nécessitant pas d'opérations de reprise.

On peut également prévoir, pour la fabrication d'un corps tubulaire d'un bâton de ski, que les parties sensibles et notamment la partie inférieure du corps soient recouvertes d'une gaine de protection en thermoplastique ou élastomère, résistante aux coups de carre, fréquents dans la pratique du ski alpin.

L'invention peut s'appliquer à bien d'autres objets tubulaires rectilignes en matériaux composites et l'on peut citer à titre d'exemple des objets pouvant être réalisés par le procédé de l'invention tels que brins de cannes à pêche, flèches pour le tir à l'arc, manche de cadre de tennis ou squash, batte de baseball, tubes de cadres de vélos, etc....

Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent.

Claims (12)

REVENDICATIONS

1. Procédé de fabrication d'un objet tubulaire rectiligne ou sensiblement rectiligne en matériaux composites caractérisé en ce qu'il comprend les étapes successives suivantes:

- on dispose une vessie (9) tubulaire, élastique, étanche et de fine épaisseur autour d'un mandrin rigide (10), de longueur au moins égale à la longueur de l'objet à réaliser;

- on réalise ensuite l'habillage du mandrin (10) avec une structure composite (12) comprenant des fibres imprégnées d'une matrice de résine organique;

- on dispose le mandrin ainsi revêtu dans un moule (13) dont l'empreinte (14, 14a, 14b) définit la forme finale de l'objet à réaliser;;

- on effectue ensuite une opération de moulage en appliquant au moins une pression interne exercée par l'introduction d'un fluide à l'intérieur de la vessie entre celle-ci et le mandrin (10) de façon à compacter la structure composite (12) contre l'empreinte (14, 14a, 14b) du moule (13).

2. Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vessie tubulaire (9) est réalisée au préalable en matériau élastomère pouvant être mis en oeuvre par trempage.

3. Procédé de fabrication selon la revendication 2, caractérisé en ce que la vessie tubulaire est réalisée en latex, silicone ou néoprène.

4. Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure composite (12) est réalisée par enroulement autour du mandrin (10) de nappe(s) de fibres imprégnées de résine thermodurcissable.

5. Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure composite (12) est réalisée par enroulement filamentaire d'un (ou plusieurs) fil(s) de fibres préalablement imprégné(s) de résine thermodurcissable.

6. Procédé de fabrication selon les revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que la résine utilisée est du type époxyde.

7. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1, 4, 5 ou 6 caractérisé en ce que la structure composite (11) est constituée de fibres de verre etlou carbone et/ou aramide.

8. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le mandrin (10) recouvert de la vessie (9) est raccordable à l'alimentation externe de fluide sous pression.

9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le mandrin (10) est constitué de deux éléments (101, 102) partiellement emboîtés l'un dans l'autre dont l'un est un élément principal conique (101) destiné à supporter la structure composite, et l'autre, un élément secondaire (102) rapporté sur l'élément principal (101) et traversé d'un alésage (102b) se raccordant à l'alimentation externe de fluide sous pression.

10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'élément secondaire rapporté (102) est constitué d'une partie avant en forme de tronc de cône (102a), recouverte de la vessie (8) et s'engageant dans le moule, ladite partie étant en appui sur la surface de révolution complémentaire (13bu du moule (13), réalisant l'étanchéité de ladite vessie (9).

11. Objet tubulaire obtenu selon le procédé revendiqué selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il constitue un corps tubulaire (3) d'un bâton de ski.

12. Objet tubulaire selon la revendication 11 caractérisé en ce qu'il comprend une ou plusieurs zones de rétrécissement (31) ou de renflement de couches continues de nappes de fibres.